1、概述

      20世紀(jì)90年代初，我國開發(fā)研制出一種高效換熱組件———波紋換熱管。波紋換熱管是由波紋管和接頭兩部分組成。

      用波紋管代替光滑直管制成的波紋管換熱器，其傳熱效率可提高2～4倍，這種高效換熱器還具有不易結(jié)垢、溫差應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于波紋管是由薄壁（壁厚為05～10ｍｍ）光滑管加工而成，成型后其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化。其管束的強(qiáng)度和剛度都與光滑管有很大差別，致使這種換熱器的管束和管板的應(yīng)力分析困難。由于管束和管板強(qiáng)度問題沒有解決，使得這種高效設(shè)備的應(yīng)用范圍受到限制，同時(shí)也有安全隱患。為使這種高效節(jié)能產(chǎn)品能應(yīng)用于石油、化工等更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)波紋管換熱器進(jìn)行強(qiáng)度研究，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。

      這項(xiàng)工作于2002年納入國家鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目，由沈陽化工學(xué)院和沈陽市特種設(shè)備檢測(cè)研究院（原沈陽市鍋檢所）等單位負(fù)責(zé)起草，將波紋管換熱器設(shè)計(jì)方法列為ＧＢ151《管殼式換熱器》的附錄，并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)案例”（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)案例”）正式頒布。

      本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)案例的主要內(nèi)容進(jìn)行了介紹，針對(duì)波紋管換熱器十幾年運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)、歸納分析，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例分析，說明波紋管換熱器的設(shè)計(jì)和選用應(yīng)注意的問題。

      2、標(biāo)準(zhǔn)案例簡(jiǎn)介

      波紋管換熱器也是管殼式換熱器的一種，其總體設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)是符合ＧＢ151中要求的，只是由于管束剛度變化，使得與其相關(guān)的受壓組件設(shè)計(jì)計(jì)算有所不同。標(biāo)準(zhǔn)案例以理論分析和試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)三者統(tǒng)一的原則，規(guī)定了波紋管換熱器管束和管板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以作為ＧＢ151的補(bǔ)充。

      2-1  適用范圍

      換熱器型式與ＧＢ151相同。設(shè)計(jì)壓力ＰＮ≤40ＭＰａ，考慮波紋換熱管是由薄壁管加工而成，成型的殘余應(yīng)力較大，為避免應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞，其工作壓力不能太高。標(biāo)準(zhǔn)案例規(guī)定兩種換熱管公稱直徑，即波峰/波谷外徑為32/25ｍｍ和42/33ｍｍ，其管坯外徑為25ｍｍ和33ｍｍ，這是目前工程中通用的兩種規(guī)格。折流板間距根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定，其最大間距尺寸大約為ＧＢ151中5953條規(guī)定的最大間距的2/3，且不考慮流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

      考慮波紋管成型和十幾年的實(shí)際使用情況，標(biāo)準(zhǔn)案例只適用于波紋管材料為奧氏體不銹鋼。

      2-2  波紋換熱管設(shè)計(jì)

      光滑管通過脹型成型為波紋管后，由于殘余應(yīng)力和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，波紋管的承載能力遠(yuǎn)低于相應(yīng)的光管（即管坯）。相應(yīng)波紋管的軸向剛度和穩(wěn)定性也大大降低。標(biāo)準(zhǔn)案例第3條中給出了波紋管的許用內(nèi)壓力、許用外壓力、軸向剛度和臨界壓力的計(jì)算公式，這些公式是根據(jù)試驗(yàn)和理論分析整理而成。

      2-2-1  波紋換熱管的許用內(nèi)壓力

      對(duì)于波紋管各部位的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，目前仍在研究之中。在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)已通過應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行了大量的試驗(yàn)測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，爆破壓力的實(shí)際值與相應(yīng)管坯按中徑公式計(jì)算的理論值較為接近，且實(shí)測(cè)值大于理論值。

      2-2-2  波紋換熱管許用外壓力

      管殼式換熱器中的管子同時(shí)承受管程和殼程的壓力，所以對(duì)于管子承受外壓的穩(wěn)定性能也要考慮。波紋管多數(shù)呈波節(jié)形狀，即由一直段和球面波峰部分組成。直段部分剛性遠(yuǎn)小于波峰部分，試驗(yàn)也證明波紋管受外壓時(shí)直邊部分首先失穩(wěn)。對(duì)整根波紋管來講可視為承受外壓的圓筒，波峰部分相當(dāng)于剛性構(gòu)件。這樣，管子承受外壓的計(jì)算長度就大大地減小了，標(biāo)準(zhǔn)案例中取單根管中最大波距作為計(jì)算長度是偏于安全的。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，標(biāo)準(zhǔn)案例引用了ＧＢ150中第六章的外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

      根據(jù)Ｌ/ｄ1和ｄ1/δｔ直接利用ＧＢ150中第六章的外壓計(jì)算圖，查出Ａ值和Ｂ值，便可得到波紋管許用外壓力，即：

      2-3管板設(shè)計(jì)計(jì)算

      到目前為止，大多數(shù)國家換熱器標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于管板強(qiáng)度計(jì)算，基本都是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎(chǔ)上且受管孔削弱的當(dāng)量圓平板來考慮。ＧＢ151中的管板設(shè)計(jì)也是基于這種考慮。對(duì)于波紋管換熱器，相對(duì)于常規(guī)（光滑管）管殼式換熱器來講，最主要的差別就是換熱管的剛度問題。標(biāo)準(zhǔn)案例基于這種考慮，規(guī)定了與管子軸向剛度有關(guān)的參數(shù)引入波紋管剛度計(jì)算值，然后直接利用ＧＢ151中相應(yīng)管板類型的計(jì)算公式進(jìn)行波紋管換熱器管板的設(shè)計(jì)計(jì)算。

      3、波紋管換熱器常見失效形式及其原因分析

      （1）波紋換熱管波谷或波峰波谷過渡部位減薄開裂。波紋管換熱器運(yùn)行中，波紋換熱管波谷及其附近部位減薄開裂，造成內(nèi)部泄漏是其失效的主要形式。失效原因是在殼程折流板處波紋管的波谷與折流板管孔產(chǎn)生振動(dòng)摩擦、磕碰，使波紋管壁減薄，以致開裂泄漏。現(xiàn)在有些生產(chǎn)廠采用加厚折流板，使波紋管的波峰與管孔接觸，以保證管與孔間隙最小，防止振動(dòng)摩擦;還有的在折流板處給波紋管加套。這些都是避免和降低這種波紋管失效形式的較好措施。

      （2）波紋換熱管扁塌（周向失穩(wěn)）。波紋管失穩(wěn)發(fā)生周向扁塌，是波紋管換熱器另一失效形式。這主要是由于波紋管的壁厚較薄，一般在1ｍｍ以下，其自身抗外壓失穩(wěn)的能力就很低。在換熱器的設(shè)計(jì)中，一般都不進(jìn)行換熱管的承壓能力的校核和計(jì)算，所以，當(dāng)殼程壓力達(dá)到和超過換熱管本身的臨界壓力時(shí)，管子就產(chǎn)生失穩(wěn)扁塌。標(biāo)準(zhǔn)案例中規(guī)定了波紋換熱管許用外壓的計(jì)算方法。

      （3）波紋換熱管軸向彎曲變形過大（軸向失穩(wěn)）。產(chǎn)生這種失效形式是由管程壓力和溫差應(yīng)力的作用所致。波紋管材料為奧氏體不銹鋼，其線膨脹系數(shù)比碳鋼大得多，在管程和殼程溫度相同時(shí)也能產(chǎn)生溫差應(yīng)力，再有波紋管的軸向剛度很小，所以，當(dāng)管程壓力較大或管壁溫度高于殼壁溫度時(shí)，都易發(fā)生波紋換熱管軸向彎曲變形過大的失效現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)案例中規(guī)定的折流板無支撐跨距比ＧＢ151中規(guī)定值小，就是考慮防止換熱管的軸向失穩(wěn)。

      （4）波紋換熱管腐蝕斷裂和整體脆化失效。這種失效形式主要是由于介質(zhì)的腐蝕造成的。奧氏體不銹鋼最易產(chǎn)生晶間腐蝕，當(dāng)波紋管換熱器用在含氯離子高和含硫化氫等介質(zhì)時(shí)，就出現(xiàn)了波紋換熱管腐蝕斷裂。實(shí)際中已發(fā)現(xiàn)有的換熱管產(chǎn)生了整體脆化現(xiàn)象。

      （5）波紋管與厚壁管接頭連接處開裂。波紋換熱管由波紋管和兩端接頭組成，接頭處的環(huán)焊縫，由于焊接工藝和焊接技術(shù)水平的差異，焊縫質(zhì)量難以保證，從而造成此處開裂。